CC BY
10УДК 621.315.5 Набиев Н. Ф., Алексеев А.В., Пионтковская С.А.
Набиев Н.Ф.
студент 2 курса Институт автоматики и электронного приборостроения Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н. Туполева (г. Казань, Россия)
Алексеев А.В.
студент 2 курса Институт автоматики и электронного приборостроения Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н. Туполева (г. Казань, Россия)
Научный руководитель: Пионтковская С.А.
кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н. Туполева (г. Казань, Россия)
ПОТЕНЦИАЛ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ: ТЕНДЕНЦИИ И ПРИМЕНЕНИЕ
Аннотация: в данном обзоре представлены основные тенденции развития и применения углеродных нанотрубок (УНТ) в электроэнергетике. Рассматриваются возможности применения УНТ для создания полевых транзисторов, логических элементов на их основе, сенсоров, аккумуляторов, а также сверхпрочных и легких проводов.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, электроника, полевые транзисторы, логические элементы, сенсоры, аккумуляторы, провода.
Введение.
Углеродные нанотрубки представляют собой уникальные структуры нанометрового масштаба, состоящие из углеродных атомов, организованных в форме трубок. Открытие и исследование УНТ в начале 1990-х годов открыло новую эру в наноматериаловедении и нанотехнологиях. Их уникальные свойства привлекают широкое внимание научного сообщества и промышленных кругов. Они обладают уникальными электронными, механическими и термическими характеристиками, которые делают их одними из наиболее перспективных материалов для различных областей науки и техники.
Основная часть.
1. Открытие углеродных нанотрубок, их структура и свойства.
Впервые нанотрубки были обнаружены российскими учеными при диспропорцинации монооксида углерода на частицах восстановленного железа. Работа была опубликована в 1952 году, но широкой известности не получила [1]. Позднее они были обнаружены в 1991 году японским физиком Ихару Матсуи при исследовании структуры углерода, проведенном с использованием метода химического осаждения паров (CVD) [2].
Углеродная нанотрубка представляет собой протяженную цилиндрическую структуру, состоящую из одного или нескольких вложенных друг в друга свернутых графитовых слоев. Нанотрубки подразделяются на многостеночные, состоящие из двух и более слоев, расстояние между которыми соответствует расстоянию между графитовыми 4 слоями (0,34-0,39 нм) и одностеночные - состоящие из одного графитового слоя, свернутого в цилиндр с диаметром 0,7-2,0 нм и длиной до сотен микрон. Их структура представлена на рисунке 1. Углеродные нанотрубки имеют высокую прочность и эластичность и способны выдерживать большие напряжения, не переламываясь. Томанек с
соавторами предсказал, что нанотрубки должны иметь необычную механическую прочность и жесткость, большие, чем у всех известных на данный момент материалов [3]. В 1996 Эббесен и Треаси [4] исследовали многостеночные углеродные нанотрубки, выращенные на подложке, и, соответственно, имеющие закрепленное на поверхности основание и свободный конец. Они получили значение для модуля Юнга (коэффициента упругости) 1 ТРа, что в пять раз превышает значение для стали.
Ол но стен очная М ногос тсн оч ная
Рис. 1. Структура одностеночной и многостеночной углеродной нанотрубки.
Одним из ключевых свойств углеродных нанотрубок является их высокая прочность и жесткость. Из-за спиральной структуры, они обладают изумительной механической устойчивостью и способностью выдерживать огромные нагрузки при минимальных деформациях. Это свойство делает их перспективными материалами для создания ультралегких и прочных композитных материалов.
Еще одним важным аспектом свойств УНТ является их электронная проводимость. Нанотрубки могут быть как полупроводниками, так и металлами в зависимости от их хиральности и диаметра. Это делает их перспективными материалами для использования в электронике, включая транзисторы с нанотрубками, ультраскоростные компоненты и многие другие устройства.
Кроме того, углеродные нанотрубки обладают уникальными оптическими свойствами, такими как светоизлучение и поглощение в широком
диапазоне длин волн. Это делает их перспективными кандидатами для применения в оптических устройствах, таких как дисплеи и солнечные батареи.
Углеродные нанотрубки продолжают привлекать внимание исследователей своими уникальными свойствами и потенциальными применениями. Дальнейшие исследования в этой области могут привести к новым открытиям и технологическим прорывам, открывая новые горизонты в наноматериаловедении и нанотехнологиях.
2. Анализ рынка и перспективы развития.
Прогнозируется, что к 2029 году его объем вырастет до 16,25 млрд долларов США с текущих 6,51 млрд долларов. Этот рост, составляющий в среднем 34,78% ежегодно, связан с различными факторами, включая адаптацию отрасли к коронавирусной пандемии и рост спроса в различных секторах, таких как автомобильное производство и промышленная электроника. Ожидается, что углеродные нанотрубки будут играть все более значимую роль в энергетике, особенно в области возобновляемых источников энергии, где их высокая проводимость и уникальные свойства делают их привлекательными для использования в солнечных батареях, топливных элементах и хранении энергии.
Предполагается, что в ближайшие годы спрос на углеродные нанотрубки будет продолжать расти, поскольку различные отрасли, включая энергетику, автомобилестроение и аэрокосмическую промышленность, все больше осознают потенциал этого материала для создания новых технологий и улучшения существующих продуктов. Кроме того, ожидается, что технологические инновации и развитие новых методов производства помогут снизить стоимость углеродных нанотрубок и расширить их применение в различных секторах экономики [5].
Таблица 1. Размер рынка углеродных нанотрубок.
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
16,25
6,51
2024 год 2029 год
■ млрд $
3. Применение углеродных нанотрубок в электроэнергетике и электротехнике.
3.1. Цифровая электроника и вычислительные устройства.
Американские ученые создали 16-битный микропроцессор, который стал результатом уникальной разработки на базе углеродных нанотрубок [6]. Этот процессор, содержащий почти 15 тысяч транзисторов на УНТ, представляет значительный прорыв в области создания вычислительных устройств. Новый метод создания монослоя из нанотрубок и другие технологии позволили ученым продемонстрировать работоспособность процессора, запустив на нем все типы инструкций архитектуры RISC-V и выполнить программу, выводящую стандартное приветствие "Hello, World!". Этот значимый шаг был опубликован в престижном научном журнале Nature.
Развитие процессоров напрямую связано с миниатюризацией технологического процесса их производства. В настоящее время применяются процессоры, созданные по 7-нанометровому техпроцессу, а также производство по 5-нанометровому техпроцессу находится в экспериментальной стадии. Однако для дальнейшего улучшения характеристик процессоров необходимы новые материалы и технологии. Углеродные нанотрубки, с их уникальными свойствами, представляют собой один из самых перспективных материалов для создания транзисторов.
В ходе исследований было установлено, что углеродные нанотрубки обладают небольшим размером и высокой подвижностью носителей заряда, что делает их привлекательными для использования в электронных устройствах. Однако ранее созданные микропроцессоры с использованием углеродных нанотрубок имели ограниченные возможности и не были готовы к массовому производству. Новое исследование, проведенное группой ученых из Массачусетского технологического университета, предложило решение некоторых проблем, связанных с производством транзисторов на основе углеродных нанотрубок, и продемонстрировало работу полноценного процессора с 14702 транзисторами на УНТ.
3.2. Проводники и кабели на основе УНТ.
Сверхлегкая и высокопроизводительная электропроводка, изготовленная из углерода, представляет собой значительный прорыв в области передачи электроэнергии. Провода, разработанные исследователями Кембриджского университета [7], весят в десять раз легче меди и могут быть эффективно использованы в различных электрических системах. Углеродные нанотрубки (УНТ), из которых изготавливаются эти провода, обладают уникальными физическими свойствами, что делает их перспективным материалом для применения в электротехнике. Процесс каталитического непрерывного синтеза УНТ был значительно улучшен, позволяя создавать нанотрубки с высокой степенью чистоты и контролировать их свойства на больших масштабах.
Основным преимуществом углеродных проводов является их высокая прочность и легкость, что делает их идеальным вариантом для использования в различных системах передачи электроэнергии. Провода из углерода также обладают устойчивостью к коррозии и способны выдерживать более высокие токи без значительных потерь эффективности передачи. Благодаря новым методам соединения углеродных проводов с металлическими, их можно легко интегрировать в существующие электрические системы, что открывает широкие перспективы для их использования в различных отраслях, включая авиацию, энергетику и транспорт.
3.3. «Солнечные» аккумуляторы.
Исследователи создали молекулярные структуры из чистого углерода, способные эффективно накапливать и отдавать солнечное тепло, что может решить ряд проблем снабжения энергией человечества.
Традиционные методы хранения солнечной энергии включают использование дорогостоящих материалов, которые могут деградировать через несколько циклов зарядки/разрядки. Новые углеродные солнечные аккумуляторы, напротив, обеспечивают стабильное хранение солнечной энергии в химической форме и точно контролируемую скорость накопления и отдачи энергии.
Процесс работы таких аккумуляторов основан на изменении структуры молекул при воздействии солнечного света, что позволяет им хранить энергию в течение длительного времени без потерь [8]. Этот принцип отличается от преобразования солнечной энергии в электричество и дает преимущество самостоятельного накопления и отдачи тепла без промежуточных устройств.
Кроме того, новая технология хранения солнечного тепла может иметь широкий спектр применений в области обогрева помещений, приготовления пищи и выработки электроэнергии. Она также представляет собой общую концепцию конструирования специальных материалов, которая может быть использована во многих других областях.
Заключение.
Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой захватывающий класс материалов с потенциалом для революционного влияния на электронику и энергетику. В их пользу говорят ряд преимуществ, включая высокую прочность, легкость, отличную электрическую и теплопроводность, а также уникальные оптические свойства. Они могут быть использованы для создания ультралегких и прочных материалов, эффективных электронных устройств, высокоэффективных аккумуляторов и даже для лечения болезней.
Однако существуют и некоторые ограничения и проблемы, затрудняющие их широкое применение. Это включает сложности в производстве с высокой степенью чистоты, неоднородность свойств и трудности в контроле хиральности. Некоторые процессы синтеза могут быть токсичными и вредными для окружающей среды, а стандартизация производства и масштабирование остаются вызовом.
Необходимы дальнейшие исследования и инновации для преодоления этих проблем и раскрытия полного потенциала УНТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Радушкевич, Л. В. О Структуре Углерода, Образующегося При Термическом Разложении Окиси Углерода На Железном Контакте / Л. В. Радушкевич. - Текст : непосредственный // Журнал Физической Химии. - 1952. - № 26. - С. 88-95;
2. Iijima S. Synthesis of Carbon Nanotubes. / S. Iijima. - Текст : непосредственный // Журнал Nature. - 1991. - № 354. - С. 56-58;
3. Tomanek, D. Structural rigidity and low frequency vibrational modes of long carbon tubeles / G. Overney, W. Zhong, and D. Tomanek. - Текст: электронный. // Журнал Zeitschrift für Physik D. - 1993. - № 27. - С. 93-96. - URL: https: //w. researchgate. net/publication/256334872_Structural_Rigidity_and_low-frequency_vibrational-modes_of_long_carbon_tubules (дата обращения: 22.04.2024);
4. Treacy, M. M. J. Exeptionally high young's modulus observed for individual carbon nanotubes. / M. M. J. Treacy, T. W. Ebbesen, and J. M. Gibson. - Текст: электронный. // Журнал Nature. - 1996. - № 381. - С. 678-680. - URL: https://w.nature.com/articles/381678a0 (дата обращения: 22.04.2024);
5. Mordor Intelligence. : официальный сайт. - Хайдарабад, Индия. - 2024. URL: https://w.mordorintelligence.com/ru/industry-reports/carbon-nanotubes-market (дата обращения: 20.04.2024);
6. Treacy, M. M. J. Exeptionally high young's modulus observed for individual carbon nanotubes. / G. Hills, C. Lau, A. Wright, S. Fuller, M. D. Bishop, T. Srimani, P. Kanhaiya, R. Ho, A. Amer, Y. Stein, D. Murphy, Arvind, A. Chandrakasan, M. Shulaker - Текст: электронный. // Журнал Nature. - 2019. - № 572. - С. 595-602. -URL: https://w.nature.com/articles/s41586-019-1493-8 (дата обращения: 25.04.2024);
7. Университет Кэмбриджа. : официальный сайт. - Кэмбридж, Лондон. - 2013. URL : https://w. cam. ac.uk/research/news/carbon-candy-floss-could-help-prevent-energy-blackouts (дата обращения: 19.04.2024);
8. Стенфордский университет. : официальный сайт. - Стенфорд, США. - 2024. URL: http://large.stanford.edu/courses/2012/ph240/wang-hu1/ (дата обращения: 21.04.2024);
9. Раков, Э. Г. Нанотрубки и фуллерены. : учебное пособие / Э. Г. Раков. -Москва : Логос, 2006. - 374 с. - ISBN 5-89155-155-1. - Текст : непосредственный.
10. Патент № 2669271 C1 Российская Федерация, МПК C01B 32/174, B82B 3/00, B82B 1/00;
11. Углеродные нанотрубки и способ получения углеродных нанотрубок : № 2017118180 : заявл. 25.05.2017 : опубл. 09.10.2018 / А.Н. Красновский, П.С. Кищук, заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН"
Nabiev N.F., Alekseyev A. V., Piontkovskaya S.A.
Nabiev N.F.
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev
(Kazan, Russia)
Alekseyev A.V.
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev
(Kazan, Russia)
Scientific advisor: Piontkovskaya S.A.
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev
(Kazan, Russia)
POTENTIAL OF CARBON NANOTUBES IN ELECTRICAL ENGINEERING: TRENDS AND APPLICATIONS
Abstract: this review presents the main trends in the development and application of carbon nanotubes (CNTs) in the electric power industry. The possibilities of using CNTs to create field-effect transistors, logic elements based on them, sensors, batteries, as well as heavy-duty and lightweight wires are considered.
Keywords: carbon nanotubes, electronics, field-effect transistors, logic gates, sensors, batteries, wires.
